JPH0157956B2 - - Google Patents

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JPH0157956B2
JPH0157956B2 JP58002773A JP277383A JPH0157956B2 JP H0157956 B2 JPH0157956 B2 JP H0157956B2 JP 58002773 A JP58002773 A JP 58002773A JP 277383 A JP277383 A JP 277383A JP H0157956 B2 JPH0157956 B2 JP H0157956B2
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JP
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glucose
glucosone
enzyme
fructose
oxidase
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JP58002773A
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Ruisu Neidoruman Sooru
Furederitsuku Amon Juniaa Uiriamu
Geigaato Jon
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Novartis Vaccines and Diagnostics Inc
Original Assignee
Cetus Corp
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Publication date
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Publication of JPH0157956B2 publication Critical patent/JPH0157956B2/ja
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    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C29/00Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring
    • C07C29/09Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by hydrolysis
    • C07C29/10Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by hydrolysis of ethers, including cyclic ethers, e.g. oxiranes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07DHETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D301/00Preparation of oxiranes
    • C07D301/02Synthesis of the oxirane ring
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N9/00Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
    • C12N9/0004Oxidoreductases (1.)
    • C12N9/0065Oxidoreductases (1.) acting on hydrogen peroxide as acceptor (1.11)
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N9/00Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
    • C12N9/0004Oxidoreductases (1.)
    • C12N9/0071Oxidoreductases (1.) acting on paired donors with incorporation of molecular oxygen (1.14)
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P17/00Preparation of heterocyclic carbon compounds with only O, N, S, Se or Te as ring hetero atoms
    • C12P17/02Oxygen as only ring hetero atoms
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
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Abstract

A process is described for the production of fructose from glucose. An aqueous solution of glucose is converted to D-glucosone by an enzymatic process. D-glucosone is then converted to substantially pure fructose by chemical hydrogenation. Fructose may be recovered in crystalline form.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は概して、グルコースから1段階工程即
ち酵素による酸化により、フルクトース製造の中
間体であるD−グルコーソンの製造方法に関す
る。 結晶性フルクトースの商業規模における製造面
では種々の重要な問題に直面して来た。これらの
問題の最大の一つは製造経費の点である。現在の
発明に匹敵する唯一の商業的に実行可能な生産方
法は、先ずグルコース(グルコースイソメラーゼ
を用いるあるいはアルカリ異性化を行うことによ
り)あるいは庶糖(転化糖を経由して)から、グ
ルコース−フルクトース混合シロツプを生産す
る、次に2種の糖を物理的に分離する(イオン交
換あるいは選択的カルシウム塩沈澱による)そし
て、最終的に、水溶液中から結晶状(種を植える
かメタノール沈澱により)1フルクトースを回収す
るという工程に基ずいている。2種の糖の物理的
分離処理が必要とされる。その理由はもし実質上
すべてのイオン性物質、残余のグルコースおよび
他の夾雑物を除かない場合、結晶フルクトースを
水溶液から回収すること15が最も困難であり、し
ばしば不可能となるからである。その様な処理を
行うには費用がかさみ、それ故フルクトースに対
する市場価格が高いものになり一食用として角砂
糖に太刀打ち出来ない値段になる。 文献によればフルクトースはグルコーソンから
低濃度であるが作られ得る。1889年という初期の
文献にフルクトースはD−グルコーソンを酢酸水
溶液中亜鉛末で還元することにより生成された。6
この還元は種々の生体物質中のD−グルコーソン
の検出用分析試験として行われて来ている。8,10,12,
D−グルコーソンのD−フルクトースへの還元は
ナトリウムボロハイドライドでも達成される。D
−グルコーソンのフルクトースへの転換は−
CHO→CH2Oを行う還元酵素が既知となつて以
来、実行可能な酵素反応となつた。 又グルコーソンがグルコースから低濃度作られ
得るという文献によれば、グルコースを酸化す
る。種々の方法即ちH2O2 4あるいは酢酸銅5で行
うものが報告されている。これらの反応それぞれ
において変換収量が低く(30%以下)、多くの副
生成物が出来ている。グルコースをD−グルコー
ソンへ変換するのは、先ずグルコースの誘導体を
製造し(例えばフエニルヒドラジンと反応させグ
ルコサゾン6を作るか或はパラトルイジンと反応
させる7)、それからその誘導体を化学的に処理し
て、D−グルコーソンを製造するやり方で行つて
来た。これらの反応では収率が50%以上にならな
かつたし、又試薬が回収不可能なため、市販の目
的には高価につき過ぎる。加うるに、芳香族化合
物を含む試薬を使用すると、食品としての品質の
糖を得るために種々の問題が生じる。 グルコースのD−グルコーソンへの変換は又酵
素反応も知られている。1932年、グルコースをD
−グルコーソンへ酸化するのに軟体動物の一種、
サクシドームスギガンテウス(Saxidomus)
giganteous)8という結晶状物を用いた記載があ
る。1937年に、D−グルコーソンの製造が、グル
コース、澱粉、マルトースあるいは庶糖を2種の
かび即ちアスペルギルスパラジテイクス
(Aspargillus parasiticus)およびアスペルギス
フラブス・オリーザエ(Aspargillus flauus
oryzae)の原形質離解物で酸化することにより
行われると報告された。1956年には、グルコース
のグルコーソンへの酵素による酸化が紅藻類の一
種イリドフイクスフラシドウム(Iridophycus
flaccidum)10により行われるという報告があつ
た。グルコースをD−グルコーソンに酸化する炭
水化物酸化酵素が坦子菌類ポリポルスオブツスス
(Polyporus obtusus)の菌糸体から単離された。
収率については言及されていない。終りに、1978
年に、グルコース−2−酸化酵素活性が坦子菌
類、オウデマンシエラムシダ(Oudemansiella
mucida)において、他の木材腐敗病菌類12と同
様に検出された。最上の収率が50%より高くなか
つた。これらの場合すべてにおいてD−グルコー
ソンの生成には過酸化水素の発生を伴うと信じら
れている。 下記の図式は本発明のD−グルコーソンを中心
とする工程図式である。 プロピレンハロパーオキシダ−ゼー ―――――――――――――→ ハライドプロピレンハロヒドリン ハロヒドリン ―――――――→ エポキシダーゼプロピレンオキシド (過酸化水素) グルコース炭水化物 ――――――→ オキシダ−ゼD−グルコーソン 化学的 ―――→ 還元フルクトース 下記式はD−グルコースの分子構造式を表して
いる。 下記式はD−グルコーソンの分子構造式を表し
ている。 下記式はD−フルクトースの分子構造式を表し
ている。 D−グルコーソンの分子構造式に関して、他の
幾つかの分子構造式が水溶液中で存在することが
推定されることが、この分野の専門家に認められ
るであろう。これらの多くは環状構造式である。2
,3 こゝに用いられている「グルコース」「D−グ
ルコース」および「デキストローズ」という用語
はこのモノサツカライドの溶液中あるいは乾燥状
態のいずれの形態をも包含し、交代に用いられ
る。式はグルコースを表わしている。 こゝに用いられている「D−グルコーソン」お
よび「D−アラビノ−2−ヘキソースウロース」
の用語は交代に用いられる。式はD−グルコー
ソンを表わしている。 こゝに用いられている「フルクトース」、「D−
フルクトース」および「レブロース」の用語はグ
ルコースより甘いグルコースの異性体に対して言
うために交代に用いられる。「結晶フルクトース」
の語は無水状態におけるこのモノサツカライドを
包含する意味の応用で用いられる。式はフルク
トースを表わしている。 本発明によれば、一般的に言つて、水溶液中に
おけるグルコースは炭水化物オキシダ−ゼあるい
はグルコース−2−オキシダ−ゼの如き適当な酵
素で、酵素的にD−グルコーソンへ変換される。
この変換は自発的に、急速にそして実質的に完全
に進行させられる。D−グルコーソンは予め単離
しておかずに、適当な化学的水素化によつてフル
クトースへ変換される。この変換も又、急速にそ
して本質的に完全に進行させられる。得られたフ
ルクトースはグルコースおよび他の糖類すべてを
実質的に含まない状態で、水溶液あるいは固体か
いずれかの形で回収される。 上記に言及され、参照された、グルコースから
D−グルコーソンへおよびD−グルコーソンから
フルクトースへの低収率の変換は科学文献で既知
であるが、グルコースからフルクトースを製造す
るこれらの2種の反応を結合させる概念は現在ま
で他の文献に見られていない。加うるに、経済
的、商業的に有用な工程で、グルコースから結晶
フルクトースを製造するためこれらの2種の反応
を用いるのに成功したことは、我々の発明に先立
つて報告されていない。グルコースからD−グル
コーソンへの変換もD−グルコーソンからフルク
トースへの変換のどちらの報告にも、グルコース
から結晶フルクトースを製造する概念は考察され
ていなかつた。D−グルコーソンは化学的標品と
して必要とされたので化学的に合成された。D−
グルコーソンは生物系で、無意識的に(例えば研
究中に生化学経路における未知成分として)かあ
るいは意識的に(例えば血液中グルコースの生化
学的酸化の研究の一部として)発見された。D−
グルコーソンはD−グルコーソンの検出のための
はん点試験として、フルクトースへ還元された。 本発明において得られたD−グルコーソンの収
率はこの酵素に対して文献に報告された収率を超
えている。D−グルコーソンへの変換率が高いこ
とにより、残余の未変換グルコースを物理的に分
離する必要がない。 或種のオキシドレダクターゼはグルコースの2
番目の炭素にある水酸基を酸化することに関し
て、即ち水酸基をケト基に酸化することを促進す
る、例えば式の構造を式の構造へ変換する如
き触媒活性を有する。こゝに記した実施例におけ
る特別なオキシドレダクターゼ酵素は「グルコー
ス−2−オキシダ−ゼ」、「ピラノース−2−オキ
シダ−ゼ」および「炭水化物オキシダ−ゼ」の如
き多種を意味するが、本発明はその様に示された
酵素に限定される訳ではない。グルコース−2−
オキシダ−ゼは基質のグルコースに対して高度な
特異性を有しているが、一方炭水化物オキシダ−
ゼは適当な基質としてグルコースが挙げられる
が、より広い基質特異性を有している。グルコー
スの第2の炭素にある水酸基をケト基に変換し得
て、グルコース分子の他の基に実質的に影響を及
ぼさないような酵素はいずれも我々の発明の範疇
である。その様な酵素はグルコース−2−オキシ
ダ−ゼ活性を有する酵素の1種として明記され得
る。 適当な炭水化物オキシダ−ゼ酵素は微生物ポリ
ポールスオブツスス(Polyporus Obtusus)に由
来するものである。グルコース−2−オキシダ−
ゼの原料は他の数種の微生物、上記の軟体動物お
よび紅藻類を含む。これらの酵素およびその原料
は単に示されているだけで、本発明の範疇におけ
る適当な酵素およびその原料をすべて包含してい
ることを意味しない。 議論を容易にするために、本発明の種々の様相
は特徴的にしかし絶対的でなく、ポリポルスオブ
ツスス(Polyporus Obtusus)の適当な炭水化物
オキシダ−ゼおよびアスペルギルスオリザエのグ
ルコース−2−オキシダ−ゼを用いることに関連
して述べられるであろう。徴生物は常法により、
常温で振とう、深部培養を行う。酵素は振とう、
深部培養条件下培養した徴生物の菌糸体から製造
される。 本酵素はそのまゝの酵素でも用いられ得るが、
むしろ固定化して用いられる。酵素の固定化工程
はこの分野の専門家によく知られたもので、処理
あるいは未処理有機および無機坦体の広範囲の表
面の一部と酵素溶液を反応させることよりなる。
坦体の中にはポリアクリルアミド、エチレンマレ
イン酸共重合体、メタアクリル塩基性重合体、ポ
リペプチド、スチレン−塩基重合体、ポリペプチ
ド、スチレン−塩基重合体、ポリペプチド、スチ
レン−塩基重合体、アガロース、セルロース、デ
キストラン、シリカ、多孔性のガラス玉、活性炭
あるいはカーボンブラツク、木材およびおがく
ず、水酸燐灰石および水酸化アルミニウムあるい
は水酸化チタンが含まれる。この形態の酵素は安
定性を増加し、耐久性および有用性および再生能
力を拡大する。固定化酵素を用いて行う反応はカ
ラム中を通すことあるいは反応タンクあるいは他
の適当な反応器中で行われ得る。 炭水化物オキシダ−ゼあるいはグルコース−2
−オキシダ−ゼ酵素に加えて、酵素原料が必要と
される。又、過酸化水素の除去あるいは利用法
が、グルコースのD−グルコーソンへの変換反応
を最も効果的に行うために必要である。このこと
は過酸化水素が酵素分子のある決定的部位を酸化
してその機能を損傷するからである。過酸化水素
を除去する処理は(1)酵素カタラーゼによる分解(2)
既知の化学的手法による分解、そして(3)オキシド
レダクターゼ酵素のための固定化坦体と同じ酸化
マンガンあるいはカーボンブラツク16,17の如き分
解用鋳型を用いて分解する。別の適当な方法は生
成した過酸化水素を分解するよりむしろ、貴重な
副産物を作るために消費されてもよい。上記図式
に示される通り、D−グルコーソンの製造とプロ
ピレンハロヒドリンあるいはプロピレンオキシド
の製造とを組合せることは好適実施例である。 グルコースからD−グルコーソンへの酵素によ
る変換は水溶液中、ほゞ中性のPHで行われるのが
望ましいが、適当な緩衝液を用いて、PH領域約3
から約8以内で行われ得る。この変換は室温で行
われるのが適当であるが、約15℃から約65℃の温
度範囲で行われ得る。気圧条件は大気圧が適当で
あるが大気圧以下あるいは以上に変動することも
出来る。化学的あるいは酵素的手段でグルコース
を製造するどんな炭水化物物質でも、D−グルコ
ーソンへの変換およびフルクトース合成のための
グルコースの適当な原料である。これらの物質は
以下のものを含むが、これらのみに限定されな
い:セルロース、澱粉、庶糖、とうもろこしシロ
ツプ、HFCSおよびグルコースおよびフルクトー
スを種々の量比で含有する他のシロツプ。 本発明の糖の分析のために用いられた分析法は
以下に示される: 1 薄層クロマトグラフイー(TLC)。アビセル
被覆ガラス板で、イソプロパノール:ピリジ
ン:酢酸:水の容量比8:8:2:4の溶媒系
で展開する。グルコースおよびフルクトースは
Rf0.5〜0.6;D−グルコーソンはRf0.4〜0.5の
条痕を示す。(Rf=物質の原点からの移動距
離/溶媒の原点から先端までの距離)プレート
にトリフエニルテトラゾリウムクロライド(2
%TTC0.5N水酸化ナトリウム溶液)を噴霧す
ると、D−グルコーソンおよびフルクトース両
者とも即時赤色スポツトを生ずる。グルコース
は100℃10分間加熱する時のみ赤色スポツトを
生ずる。プレートにジフエニルアミン/アニリ
ン/燐酸/酢酸エチル試薬(0.15g/0.8ml/
11ml/100ml)を噴霧すると、グルコースは褐
色スポツトを生ずる;D−グルコーソンは紫色
の条痕を生ずる;およびフルクトースは95℃10
分間加熱する時黄色スポツトを生ずる。 2 高性能液体クロマトグラフイボ(HPLC)A.
ミユーボンダパツク(μ−Bondapak)−炭水
化物カラム〔ウオータースアソシエイツ
(Waters Associates)社から講入した〕を
0.001Mリン酸カリウム緩衝液(PH7)を含む
15%アセトニトリル水溶液を用い2ml/分の流
速で展開する。グルコースろRt11.5、D−グル
コーソンはRt14.0、フルクトースはRt9.5(Rt=
保持時間)を有している。分析はウオータース
アソシエイツ(Waters Associates)屈折率検
出器およびシエツフエル(Schoeffel)波長可
変紫外線検出器(192nm)の両者を用いて、
スペクトル物理エスピー8000機器(Sp−ectra
Physics SP8000 instrument)で実験される。 3 質量分析法(MS)。次の様な誘導体製造工
程が揮発性化学成分を作るために使われる: (a) 凍結乾燥した試料約100mgへN,N−ジフ
エニルヒドラジン(H2NNΦ2)110mgおよび
75%エタノール水1mlを加える。反応混合物
を撹拌し、室温1夜放置する。 (b) この反応混合物へ水3mlを加え、生ずる沈
澱を遠心分離および傾瀉により上澄から分離
する。この沈澱へピリジン−無水酢酸1:1
混合液1mlを加える。この反応混合物を35゜
〜40℃の水浴中に15分間放置し、時々振とう
する。 (c) 反応を停止するために水2mlを加え、それ
から混合物をエチルエーテル3mlずつで2回
抽出する。このエーテル液を少量の無水硫酸
ナトリウムで乾燥し、それからエーテルを穏
やかに加熱し(〜40℃)、窒素を吹きつけて
飛ばす。 (d) 得られた固形物あるいはシロツプを質量分
析のために準備する。 予想反応: −CHO −CH=NNO/2 >C=O(1) −OH (2)H2NNO/2 ――――――――→ AC2O、ピリジン>C=O(未変化物) −OAC グルコースは556マス(C28H32N2O10)に
分子イオン、168マス(NO/2イオンフラグメ
ント)にベースイオンを生ずる;フルクトー
スは390マス(C16H22O11)に分子イオンを
生ずる;D−グルコーソンは512マス
(C26H28N2O9)に分子イオンそして223マス
(OC−CH=N−NO/2イオンフラグメント)
に強い、特徴的なフラグメントイオンを生ず
る。分析はフインニガン(Finnigan)ガス
クロマトグラフイー/質量分析/濃度計
(GC/MS/DS)型式4023機器で、70eVで
電子衝撃イオン化、そして試料温度220゜で実
験を行う。 4 試験管比色分析。D−グルコース過剰量の存
在下D−グルコーソンの分析は2種の比色法で
容易に定量される。トリフエニルテトラゾリウ
ムクロライド(TTC)を用いて、2種の糖の
還元速度の差に基ずく検出法がある。20mlの試
験管内に試料0.5ml、1%TTC水溶液0.1ml、お
よび6N NaOH0.4mlを加える。正確に5分後、
酢酸:エタノール(1:9)15mlを加え、試験
管内容物を撹拌する。空試験として水を使用
し、バリアン(Varian)635紫外/可視
(UV/VIS)スペクトロメーターを用い、
480nmで吸光度を測定する。グルコースが
TTCを還元して赤色々素−トリフエニルホル
マザンにするのはD−グルコーソンの等量より
約100倍も遅い速度である。ジフエニルアミ
ン/アニリン/リン酸試薬を用いて行う検出法
は糖の構造の違いにより異なる呈色をすること
に基いている。20mlの試験管に試料0.2mlおよ
び次の試薬混合物を5ml加える: ジフエニルアミン 0.15g アニリン 0.80ml イソプロパノール 100ml 燐 酸 11ml 試験管を37゜の水浴中に60分間入れておく。
グルコースでは黄色溶液となる;D−グルコー
ソンでは紫色溶液となる。 本発明の種々の分析的観点で用いられる純品の
糖の出所は以下の通りである: 1 D−グルコースはアプライド・サイエンス・
ラボラトリーズ(Applied Science
Laboratories)から講入した99%純品。 2 D−フルクトースはアプライド・サイエン
ス・ラボラトリ公ズから講入した99%以上純
品。 3 D−グルコーソンは次の方法により化学的に
合成された:グルコース20gを氷酢酸27mlを含
む蒸留水1と混合する。フエニルヒドラジン
44gを加える。反応を撹拌器により激しく撹拌
しながら80℃で3時間続け、その後室温まで一
夜冷却する。固形物を過し、10%酢酸水で、
次いでエチルエーテルで洗滌する。固形物を真
空乾燥器中50℃で充分に乾燥する。実験収量は
グルコサゾン16.1gである。このグルコサゾン
を3の三頚フラスコに入れ、エタノール450
ml、蒸留水750mlおよび氷酢酸9mlを加える。
新製ベンツアルデヒド27.8gを加え、撹拌器に
より激しく撹拌しながら還流にまで導く。この
反応を5時間還流させ続ける。コンデンサーを
逆にして、蒸留水(添加漏斗を経由して)750
mlをフラスコに加えながら、450ml蒸留する。
本反応を一夜冷却して、ベンツアルデヒドフエ
ニルヒドラゾンを沈澱させる。この溶液を過
し、残渣を洗液が澄明になる迄、蒸留水(約1
)で洗滌する。液と洗液を500mlまで濃縮
し、エチルエーテル300mlずつで10回抽出する。
水溶液中にある残りのエチルエーテルを取り除
くために、ロータリーエバポレーターに移して
30分留去する。この水溶液は厳密にアセトンで
洗滌したアンバーライト(Amberlite)XAD
−2を含む4×100cmのカラムに通過させる。
このカラムは残りのグルコーソンを除くため
に、更に200mlの水で洗滌する。水溶液を集め
て凍結乾燥する。グルコーソンの実験収量は
3.4g(全体の収量16%)。 次の実施例は本発明の種々の特徴を説明する
が、しかし付加した特許請求の範囲に定義されて
いる本発明の範囲に限ることを意味するのでは全
くない。もし他に指示がない場合、温度はすべて
室温(約25℃)であり、圧力はすべて常圧(約1
気圧である。 実施例 1 固定化炭水化物オキシダ−ゼを用いて、グルコ
ースのD−グルコーソンへの実質的に完全な変換
がこの実施例で示されている。 グルコース(2g)を100mlのパイレツクス
(Pyrex)フラスコ中の蒸留水20mlへ加え、この
糖溶液を撹拌する。酸素ガスをフラスコ中へ吹き
込み、カタラーゼ〔シグマ化学(Sigma
Chemical Co.、)、C−40、牛の肝臓より製造〕
3mgを加える。培養液200mlから以下の様に製造
されたアガロース固定化炭水化物オキシダ−ゼも
又このフラスコ中に加える。 この酵素を製造するために、ポリポルスオブツ
スス(Polyporus obtusus)ATCC#26733の菌
糸体を以下の様に酵母/麦芽エキス寒天斜面培地
上に発育させる:酵母エキス(3g)、麦芽エキ
ス(3g)、寒天(20g)、ペプトン(5g)およ
びグルコース(10g)を蒸留水(1)中へ加
え、そしてPHを6.7に調整する。培地を121℃15分
間で滅菌する。PHをそれから6.4に調整する。こ
の寒天斜面培地に菌を接種し7日間25℃で生育さ
せる。この斜面で生育した菌を次に、上記の様に
(しかし寒天を加えずに)調整した酵母/麦芽エ
キス培地(125mlのエルレンマイヤーフラスコ
(Erlenmeyer flask)中培地20ml)に接種する。
この菌は回転振とう器で25℃9日間生育させる。
この培地をブフナー(Buchner)漏斗で#541ワ
ツトマン(Watman)紙を通して吸引過す
る。紙上に保持された菌糸体にこの酵素が含ま
れる。 培地400mlから得られた菌糸体をPH7.0の0.05N
燐酸カリ緩衝液70mlを含むワーリングブレンダー
(Waring blender)に入れ、3分間ホモジナイズ
する。混合物を6000rpmで20分間遠沈し、上澄液
を固形物から傾瀉法で分離する。500mlのエルレ
ンマイヤーフラスコに入れた上澄液にポリエチレ
ングリコール(分子量4000)19gを加えて、溶液
を30分間撹拌する。それから懸濁液を7000rpmで
20分間遠心分離する。上澄液を傾斜分離して棄て
る。 0.2M塩化ナトリウム15mlと0.05M燐酸カリウ
ム緩衝液(PH7.0)15mlをこの沈澱物に加え、撹
拌する。溶液を30分放置するとその間に沈澱が生
成する。この混合物を14000rpmで20分間遠心分
離する。細胞不含の純品の酵素を含む不透明な白
色上澄液が傾斜法で分離される。 この酵素のアガロースへの固定化は以下の様に
行われる:細胞不含の純品の酵素を蒸留水500ml
に対して一晩透析させる。それからPH8.0で0.1M
炭酸水素ナトリウム5mlを加える。この溶液に活
性化CH−セフアロース(Sepharose)4B(洗滌
し、1mM HCl500mlを用いて半融グラスフイ
ルター上、再膨潤させておく)を加える。 エンドオーバーエンドミキサー(end−over−
end mixer)を用いて、ゲル懸濁液を25℃で1時
間撹拌する。それからゲル懸濁液を先ず0.1M炭
酸水素ナトリウム(PH8.0)40mlで洗滌し、次に
0.5M塩化ナトリウムを含む0.05Mトリス(Tris)
緩衝液(PH8.0)40mlで、次に0.5M塩化ナトリウ
ムを含む0.5M蟻酸ナトリウム緩衝液(PH4.0)で
洗滌する。 反応混合物のサンプルは何か変化がある度に引
出され、グルコースとD−グルコーソンの分析が
なされた。HPLCを用いて、Rt11.5分(グルコー
ス)とRt14.0分(D−グルコーソン)におけるピ
ーク面積を定量し、存在する糖の程度を計算す
る。次の様な結果が得られた:
The present invention generally relates to a method for producing D-glucosone, an intermediate for fructose production, from glucose by a one-step process, enzymatic oxidation. Various significant problems have been encountered in the commercial scale production of crystalline fructose. One of the biggest problems is manufacturing costs. The only commercially viable production method comparable to the current invention is to first produce a glucose-fructose mixture from glucose (using glucose isomerase or by performing alkaline isomerization) or sucrose (via invert sugar). producing syrup, then physically separating the two sugars (by ion exchange or selective calcium salt precipitation) and finally converting the aqueous solution into crystalline form (by seeding or methanol precipitation) 1 fructose It is based on the process of collecting. Physical separation of the two sugars is required. This is because crystalline fructose is most difficult to recover from aqueous solutions 15 and often impossible if substantially all ionic materials, residual glucose and other contaminants are not removed. Such processing is expensive and therefore the market price for fructose is high and cannot compete with sugar cubes as a single serving. According to the literature, fructose can be made from glucosone in low concentrations. As early as 1889, fructose was produced by reducing D-glucosone with zinc dust in aqueous acetic acid. 6
This reduction has been performed as an analytical test for the detection of D-glucosone in various biological materials. 8,10,12,
Reduction of D-glucosone to D-fructose is also accomplished with sodium borohydride. D
−Conversion of glucosone to fructose−
Since the reductase that performs CHO → CH 2 O was known, it has become a viable enzymatic reaction. The literature also states that glucosone can be made from glucose in low concentrations by oxidizing glucose. Various methods have been reported, including those performed with H 2 O 2 4 or copper acetate 5 . Each of these reactions has low conversion yields (less than 30%) and many by-products. Converting glucose to D-glucosone involves first producing a derivative of glucose (e.g., reacting with phenylhydrazine to form glucosazone6 or reacting with paratoluidine7 ) and then chemically treating the derivative. Therefore, the method of manufacturing D-glucosone was used. These reactions did not give yields above 50%, and the reagents were not recoverable, making them too expensive for commercial purposes. In addition, the use of reagents containing aromatic compounds poses various problems in obtaining food-quality sugars. Enzymatic reactions are also known for converting glucose to D-glucosone. In 1932, glucose was
- a type of mollusc that oxidizes to glucosone,
Saxidomus giganteus
There is a description using a crystalline substance called giganteous) 8 . In 1937, the production of D-glucosone was developed by combining glucose, starch, maltose or sucrose with two molds, Aspargillus parasiticus and Aspergillus flauus oryzae.
oryzae) was reported to be carried out by oxidizing the plasma dissociated product. In 1956, enzymatic oxidation of glucose to glucosone was discovered in the red algae Iridophycus
flaccidum) 10 . A carbohydrate oxidase that oxidizes glucose to D-glucosone was isolated from the mycelium of the basidiomycete Polyporus obtusus.
No mention is made of yield. At the end, 1978
In 2007, glucose-2-oxidase activity was significantly increased in the basidiomycete, Oudemansiella
mucida), as well as 12 other wood rot fungi. The top yield was not higher than 50%. In all of these cases, the production of D-glucosone is believed to be accompanied by the evolution of hydrogen peroxide. The diagram below is a process diagram centered on D-glucosone of the present invention. Propylene haloperoxidase――――――――――――→ Halide Propylene halohydrin Halohydrin――――――――→ Epoxidase Propylene oxide (hydrogen peroxide) Glucose carbohydrate―――― ---> Oxidase D-glucosone Chemical ---> Reduced fructose The formula below represents the molecular structure of D-glucose. The formula below represents the molecular structural formula of D-glucosone. The formula below represents the molecular structural formula of D-fructose. Regarding the molecular structure of D-glucosone, it will be recognized by those skilled in the art that several other molecular structures can be assumed to exist in aqueous solution. Many of these have cyclic structural formulas. 2
, 3 , the terms "glucose,""D-glucose," and "dextrose" are used interchangeably to encompass either the solution or dry form of this monosaccharide. The formula represents glucose. "D-glucosone" and "D-arabino-2-hexosulose" used here
The terms are used interchangeably. The formula represents D-glucosone. “Fructose” and “D-
The terms "fructose" and "levulose" are used interchangeably to refer to isomers of glucose that are sweeter than glucose. "Crystal fructose"
The term is used in application to include this monosaccharide in its anhydrous state. The formula represents fructose. Generally speaking, according to the present invention, glucose in an aqueous solution is enzymatically converted to D-glucosone with a suitable enzyme such as carbohydrate oxidase or glucose-2-oxidase.
This conversion proceeds spontaneously, rapidly and virtually completely. D-glucosone is not isolated beforehand and is converted to fructose by suitable chemical hydrogenation. This conversion also proceeds rapidly and essentially completely. The resulting fructose is recovered substantially free of glucose and all other sugars, either in aqueous solution or in solid form. Although the low-yield conversions of glucose to D-glucosone and D-glucosone to fructose mentioned and referenced above are known in the scientific literature, these two reactions producing fructose from glucose are The concept of combining has not been found in other literature to date. Additionally, the successful use of these two reactions to produce crystalline fructose from glucose in an economically and commercially useful process has not been reported prior to our invention. Neither the reports on the conversion of glucose to D-glucosone nor the conversion of D-glucosone to fructose considered the concept of producing crystalline fructose from glucose. D-glucosone was chemically synthesized because it was needed as a chemical standard. D-
Glucosone has been discovered in biological systems either unconsciously (e.g. as an unknown component in a biochemical pathway during research) or consciously (e.g. as part of a study of the biochemical oxidation of blood glucose). D-
Glucosone was reduced to fructose as a spot test for the detection of D-glucosone. The yield of D-glucosone obtained in the present invention exceeds the yield reported in the literature for this enzyme. Due to the high conversion rate to D-glucosone, there is no need to physically separate the remaining unconverted glucose. Some oxidoreductases are
It has a catalytic activity with respect to the oxidation of the hydroxyl group at the th carbon, that is, it promotes the oxidation of the hydroxyl group to a keto group, such as converting the structure of the formula to the structure of the formula. The specific oxidoreductase enzymes in the examples described herein refer to a variety of species such as "glucose-2-oxidase,""pyranose-2-oxidase," and "carbohydrate oxidase," but the present invention is not limited to the enzymes so indicated. Glucose-2-
Oxidase is highly specific for the substrate glucose, whereas carbohydrate oxidase
The enzyme has a broader substrate specificity, although glucose is a suitable substrate. Any enzyme capable of converting the hydroxyl group on the second carbon of glucose into a keto group without substantially affecting other groups on the glucose molecule is within the scope of our invention. Such an enzyme may be specified as a type of enzyme having glucose-2-oxidase activity. A suitable carbohydrate oxidase enzyme is derived from the microorganism Polyporus Obtusus. Glucose-2-oxidizer
The raw materials for zebra include several other microorganisms, the molluscs mentioned above, and red algae. These enzymes and their raw materials are merely shown and are not meant to include all suitable enzymes and their raw materials within the scope of the present invention. For ease of discussion, various aspects of the invention are characteristically, but not exclusively, characterized in that they include suitable carbohydrate oxidases of Polyporus obtusus and glucose-2-oxidases of Aspergillus oryzae. - will be mentioned in connection with the use of ze. Symptoms are collected according to the usual method.
Shake at room temperature and perform deep culture. Shake the enzyme;
It is produced from the mycelium of symptomatic organisms cultivated under deep culture conditions. Although this enzyme can be used as it is,
Rather, it is used in a fixed manner. Enzyme immobilization processes are well known to those skilled in the art and consist of reacting an enzyme solution with a portion of a wide range of surfaces of treated or untreated organic and inorganic supports.
Some of the carriers include polyacrylamide, ethylene maleic acid copolymer, methacrylic basic polymer, polypeptide, styrene-base polymer, polypeptide, styrene-base polymer, polypeptide, styrene-base polymer, These include agarose, cellulose, dextran, silica, porous glass beads, activated carbon or carbon black, wood and sawdust, hydroxyapatite, and aluminum or titanium hydroxide. This form of the enzyme increases stability, extends durability and availability, and regenerative capacity. Reactions carried out using immobilized enzymes can be passed through columns or carried out in reaction tanks or other suitable reactors. Carbohydrate oxidase or glucose-2
-In addition to the oxidase enzyme, enzyme raw materials are required. Additionally, methods for removing or utilizing hydrogen peroxide are necessary to most effectively carry out the conversion reaction of glucose to D-glucosone. This is because hydrogen peroxide oxidizes certain critical sites on the enzyme molecule, impairing its function. The process for removing hydrogen peroxide is (1) decomposition by the enzyme catalase (2)
(3) Decomposition by known chemical methods and (3) using a decomposition template, such as manganese oxide or carbon black , which is the same immobilized carrier for the oxidoreductase enzyme. Another suitable method is that rather than decomposing the hydrogen peroxide produced, it may be consumed to produce valuable by-products. As shown in the above scheme, combining the production of D-glucosone with the production of propylene halohydrin or propylene oxide is a preferred embodiment. The enzymatic conversion of glucose to D-glucosone is preferably carried out in an aqueous solution at approximately neutral pH;
can be performed within about 8 minutes. This conversion is suitably carried out at room temperature, but can be carried out at temperatures ranging from about 15°C to about 65°C. The appropriate pressure condition is atmospheric pressure, but it can also vary below or above atmospheric pressure. Any carbohydrate substance that produces glucose by chemical or enzymatic means is a suitable source of glucose for conversion to D-glucosone and fructose synthesis. These materials include, but are not limited to, cellulose, starch, sucrose, corn syrup, HFCS, and other syrups containing glucose and fructose in various ratios. The analytical methods used for the analysis of the sugars of the present invention are shown below: 1. Thin layer chromatography (TLC). Develop on an Avicel-coated glass plate with a solvent system with a volume ratio of isopropanol:pyridine:acetic acid:water of 8:8:2:4. glucose and fructose are
Rf0.5-0.6; D-glucosone shows streaks of Rf0.4-0.5. (Rf = distance traveled from the origin of the substance/distance from the origin to the tip of the solvent) Triphenyltetrazolium chloride (2
% TTC (0.5N sodium hydroxide solution), both D-glucosone and fructose produce immediate red spots. Glucose produces red spots only when heated at 100°C for 10 minutes. Diphenylamine/aniline/phosphoric acid/ethyl acetate reagent (0.15g/0.8ml/
When sprayed (11ml/100ml), glucose produces brown spots; D-glucosone produces purple streaks; and fructose produces brown spots at 95°C.
Produces yellow spots when heated for minutes. 2 High Performance Liquid Chromatography (HPLC) A.
μ-Bondapak - Carbohydrate column (purchased from Waters Associates)
Contains 0.001M potassium phosphate buffer (PH7)
Develop with a 15% acetonitrile aqueous solution at a flow rate of 2 ml/min. Glucose Rt11.5, D-glucosone Rt14.0, fructose Rt9.5 (Rt=
retention time). Analysis was performed using both a Waters Associates refractive index detector and a Schoeffel tunable ultraviolet detector (192 nm).
Spectral Physics SP8000 Instrument (Sp-ectra
Physics SP8000 instrument). 3 Mass spectrometry (MS). The following derivative manufacturing process is used to make the volatile chemical components: (a) 110 mg of N,N-diphenylhydrazine (H 2 NNΦ 2 ) and
Add 1 ml of 75% ethanol water. The reaction mixture is stirred and left at room temperature overnight. (b) Add 3 ml of water to the reaction mixture and separate the resulting precipitate from the supernatant by centrifugation and decantation. To this precipitate, pyridine-acetic anhydride 1:1
Add 1 ml of the mixture. The reaction mixture is left in a water bath at 35°-40°C for 15 minutes, shaking occasionally. (c) Add 2 ml of water to stop the reaction and then extract the mixture twice with 3 ml each of ethyl ether. The ether solution is dried with a small amount of anhydrous sodium sulfate, then the ether is gently heated (~40°C) and blown off with nitrogen. (d) Prepare the resulting solid or syrup for mass spectrometry. Expected reaction: -CHO -CH=NNO/ 2 >C=O(1) -OH (2)H 2 NNO/ 2 -----------→ AC 2 O, pyridine > C=O (unchanged substance ) -OAC Glucose produces a molecular ion in 556 squares (C 28 H 32 N 2 O 10 ) and a base ion in 168 squares (NO/ 2 ion fragment); fructose produces a molecular ion in 390 squares (C 16 H 22 O 11 ). D-glucosone produces molecular ions in 512 squares (C 26 H 28 N 2 O 9 ) and 223 squares (OC-CH=N-NO/ 2 ion fragment)
Generates characteristic fragment ions that are resistant to The analysis was performed using a Finnigan gas chromatography/mass spectrometry/densitometer (GC/MS/DS) model 4023 instrument with electron impact ionization at 70 eV and a sample temperature of 220°. 4 Test tube colorimetric analysis. Analysis of D-glucosone in the presence of excess D-glucose is easily quantified using two colorimetric methods. There is a detection method based on the difference in the reduction rate of two sugars using triphenyltetrazolium chloride (TTC). Add 0.5 ml of sample, 0.1 ml of 1% TTC aqueous solution, and 0.4 ml of 6N NaOH into a 20 ml test tube. After exactly 5 minutes,
Add 15 ml of acetic acid:ethanol (1:9) and stir the tube contents. Using water as a blank test, using a Varian 635 ultraviolet/visible (UV/VIS) spectrometer,
Measure the absorbance at 480nm. glucose is
The reduction of TTC to red-triphenylformazane is approximately 100 times slower than the equivalent amount of D-glucosone. The detection method using diphenylamine/aniline/phosphoric acid reagents is based on the fact that different sugar structures produce different colors. Add 0.2 ml of sample and 5 ml of the following reagent mixture to a 20 ml test tube: Diphenylamine 0.15 g Aniline 0.80 ml Isopropanol 100 ml Phosphoric acid 11 ml Place the test tube in a 37° water bath for 60 minutes.
Glucose gives a yellow solution; D-glucosone gives a purple solution. The sources of pure sugars used in the various analytical aspects of the present invention are as follows: 1 D-glucose is available from Applied Science
Laboratories (Applied Science)
99% pure product purchased from Laboratories). 2 D-fructose is a 99% pure product purchased from Applied Science Laboratories. 3 D-glucosone was chemically synthesized by the following method: 20 g of glucose is mixed with 1 part of distilled water containing 27 ml of glacial acetic acid. phenylhydrazine
Add 44g. The reaction is continued at 80° C. for 3 hours with vigorous stirring using a stirrer and then cooled to room temperature overnight. Filter the solids and add with 10% acetic acid water.
Then wash with ethyl ether. Thoroughly dry the solid at 50°C in a vacuum oven. The experimental yield is 16.1 g glucosazone. Put this glucosazone in the three-necked flask from step 3 and add 450 ethanol.
ml, 750 ml of distilled water and 9 ml of glacial acetic acid.
Add 27.8 g of freshly made benzaldehyde and bring to reflux while stirring vigorously with a stirrer. Continue the reaction at reflux for 5 hours. Reverse the condenser and add distilled water (via addition funnel) to 750 mL
Distill 450 ml while adding ml to the flask.
The reaction is cooled overnight to precipitate the benzaldehyde phenylhydrazone. Filter this solution and wash the residue with distilled water (approx.
). Concentrate the liquid and washing liquid to 500 ml and extract 10 times with 300 ml of ethyl ether each.
Transfer to a rotary evaporator to remove remaining ethyl ether in the aqueous solution.
Distill for 30 minutes. This aqueous solution is strictly acetone-washed Amberlite XAD.
-2 through a 4 x 100 cm column.
The column is washed with an additional 200 ml of water to remove residual glucosone. The aqueous solution is collected and lyophilized. The experimental yield of glucosone is
3.4g (16% overall yield). The following examples illustrate various features of the invention, but are in no way meant to limit the scope of the invention as defined in the appended claims. Unless indicated otherwise, all temperatures are room temperature (approximately 25°C) and all pressures are atmospheric (approximately 1
It is atmospheric pressure. Example 1 Substantially complete conversion of glucose to D-glucosone using immobilized carbohydrate oxidase is demonstrated in this example. Glucose (2 g) is added to 20 ml of distilled water in a 100 ml Pyrex flask and the sugar solution is stirred. Oxygen gas was blown into the flask, and catalase [Sigma
Chemical Co.), C-40, manufactured from cow liver]
Add 3mg. Agarose-immobilized carbohydrate oxidase, prepared as follows from 200 ml of culture, is also added to the flask. To produce this enzyme, mycelium of Polyporus obtusus ATCC #26733 is grown on yeast/malt extract agar slants as follows: yeast extract (3 g), malt extract (3 g). ), agar (20 g), peptone (5 g) and glucose (10 g) into distilled water (1) and adjust the pH to 6.7. Sterilize the medium at 121°C for 15 min. Then adjust the PH to 6.4. Bacteria are inoculated onto this agar slant medium and grown at 25°C for 7 days. The bacteria grown on this slope are then inoculated into yeast/malt extract medium (20 ml of medium in a 125 ml Erlenmeyer flask) prepared as described above (but without the addition of agar).
This bacterium was grown for 9 days at 25°C on a rotary shaker.
Aspirate the medium through #541 Watman paper in a Buchner funnel. The enzyme is contained in mycelium that is kept on paper. The mycelium obtained from 400ml of medium was 0.05N at PH7.0.
Place in a Waring blender containing 70 ml of potassium phosphate buffer and homogenize for 3 minutes. The mixture is centrifuged at 6000 rpm for 20 minutes and the supernatant liquid is separated from the solids by decantation. Add 19 g of polyethylene glycol (molecular weight 4000) to the supernatant liquid in a 500 ml Erlenmeyer flask, and stir the solution for 30 minutes. Then the suspension at 7000rpm
Centrifuge for 20 minutes. Decant the supernatant and discard. Add 15 ml of 0.2M sodium chloride and 15 ml of 0.05M potassium phosphate buffer (PH7.0) to the precipitate and stir. If the solution is allowed to stand for 30 minutes, a precipitate will form during that time. Centrifuge this mixture at 14000 rpm for 20 minutes. The opaque white supernatant containing the cell-free pure enzyme is separated by decanting. Immobilization of this enzyme onto agarose is carried out as follows: pure, cell-free enzyme is added to 500 ml of distilled water.
Dialyze overnight against Then 0.1M at PH8.0
Add 5 ml of sodium bicarbonate. To this solution is added activated CH-Sepharose 4B (washed and reswollen on a sintered glass filter with 500 ml of 1mM HCl). end-over-end mixer (end-over-
Stir the gel suspension for 1 hour at 25°C using an end mixer. The gel suspension was then first washed with 40 ml of 0.1 M sodium bicarbonate (PH8.0) and then
0.05M Tris containing 0.5M Sodium Chloride
Wash with 40 ml of buffer (PH 8.0) and then with 0.5 M sodium formate buffer (PH 4.0) containing 0.5 M sodium chloride. Samples of the reaction mixture were withdrawn whenever any changes occurred and analyzed for glucose and D-glucosone. HPLC is used to quantify the peak areas at Rt 11.5 min (glucose) and Rt 14.0 min (D-glucosone) and calculate the extent of sugar present. The following results were obtained:

【表】 反応の全経過を追つて、グルコースのD−グル
コーソンへの実質的変換はRf0.58(グルコース)
のスポツトが消えて、Rf0.43−0.49(D−グルコ
ーソン)のすじの出現によつても又示され、
TTCの試験管比色分析を用いて、反応の経過と
共に480nmの吸収の増加により示される。 生成物が確実にD−グルコーソンであるという
ことは前述の通り質量分析により追跡したフラグ
メンテーシヨンによつて確められる。 512マス(分子イオン)と223マス(OC−CH=
N−NO/2イオンフラグメント)における特徴的
なD−グルコーソンのマスイオンがこの生成物に
対し得られる。 実施例 本実施例はグルコース−2−オキシダ−ゼを用
いて、グルコースをD−グルコーソンへ本質的に
完全な酵素的変換を行うことを示す。 実施例(固定化坦体としてアガロースを用
う)の反応と条件を、炭水化物オキシダ−ゼに代
つてグルコース−2−オキシダ−ゼを用いて繰返
す。反応開示5時間後、99%以上のグルコースが
D−グルコーソンへ変換された。 グルコース−2−オキシダ−ゼ酵素を作るため
に、アスベルギルスオリザエATTC#7252の菌
糸体培養を以下の如き牛、酵母エキス/トリプト
ン培地で行う:牛エキス(5g)、酵母エキス
(5g)、トリプトン(3g)、デキストローズ
(1g)およびデイフコ(Difco)澱粉(24g)
を蒸留水(1)中に加え、PHを7.3に調整する。
培地を121℃で35分滅菌する。常法で得られた胞
子を用いて、培地に約3×104胞子/mlの量接種
し、回転振とう機(180rpm)で30℃2日間生育
させる。この培養物を#541ワツトマン紙でブ
フナー斗を用いて吸引過し、水で数回洗滌す
る。紙に残つた菌糸体にこの酵素が含まれる。 本酵素の精製および固定化は実施例の処理を
用いて進め得る。 実施例 実施例においてD−グルコーソン生成と関連
して炭水化物オキシダ−ゼとグルコースの反応に
よつて生成する遊離の過酸化水素のレベルをカタ
ラーゼにより過酸化水素を分解して最低にさせ
た。遊離の過酸化水素のレベルを最低にする他の
方法は適当な(有益な)副産物を生産する過酸化
水素利用反応にこの生成法を結びつけることであ
る。 本実施例において、過酸化水素の生成をプロピ
レン−ブロモヒドリン(著者のアメリカ特許出願
第39337号および米国特許第4247641号に詳述され
た理論によりプロピレンオキシド合成の中間体で
ある)の製造と結びつける。グルコースとポリポ
ルスオブツススATCC#26733の固定化した炭水
化物オキシダ−ゼと処理して、D−グルコーソン
と過酸化水素を生成する反応はブロマイドとプロ
ピレンの存在下コラリーナ種(Coralinasp.)か
ら得た固定化した海藻パーオキシダ−ゼの反応と
結合させることにより、プロピレンブロモヒドリ
ンを生成する。それからこの結合反応の最終結果
はフルクトースの製造のためのグルコーソンと特
許出願第39337号および第42219号に記した通り容
易にプロピレンオキシドに変化しやすいプロピレ
ンブロモヒドリンの共同生産である。過酸化水素
の生成と連合してグルコースの炭素2の水酸基を
酸化しうるどんな酵素でも、著者の先行の参考文
献である出願中の特許の教えに従つて、アルケン
−ハロヒドリン製造のために用いられる複合物と
ハロゲン化用過酸化酵素とを結合することが出来
る。 細胞不含の精製海藻パーオキシダ−ゼ酵素は以
下の様に製造される。 カリホルニアのラジヨラ(La jolla)海岸沿い
で得られたカロリナ種(Coralina sp.)をビルテ
イス(Virtis)45ホモゲナイザーに入れ蒸留水中
5分間摩砕する。均質化物を20000rpm20分間遠
心機にかける。上澄を傾斜法で移し保存する。残
渣の塊を蒸留水で再懸濁し再度遠沈する。この上
澄と前の上澄を合する。この溶液を硫酸アンモニ
ウムを加えて、先ず33%、次に55%飽和にする。
遠沈および塊の分離の操作を各段階で行う。この
33%〜55%の塊のフラクシヨンをDEAEカラムに
かけ、0.3Mから1Mリン酸緩衝液(PH6.0)を用
いてこう配溶出を行う。1M濃度で溶出したフラ
クシヨンを20mMリン酸緩衝液(PH6)に対して
一夜透析を行う。 固定化された海藻パーオキシダ−ゼを以下の様
に製造する: ガラスビーズ(シグマケミカルカンパニー
(Sigma Chemical Company)より入手、PG−
700−200)を脱イオン水18ml中ガラスビーズ1g
を懸濁することにより活性化させる。10%(容
量/容量)α−アミノプロピルトリエトキシシラ
ン2ml加え、混合物のPHを6N HClで3〜5に調
整する。混合物を75℃2時間振とうする。ガラス
ビーズを80℃一夜真空乾燥する。上記の通り製造
した精製カロリナ種(Coralina sp.)酵素3.2ml
および水溶性カルボジイミド50mgをガラスビーズ
に加える。PHを4.5に調整し、混合物を4℃一夜
振とうする。この生成物(酵素被覆ビーズ)を水
洗する。このものの活性は2モノクロロジメドン
単位/ビーズの重量gとして測定される。 アガロースに固定化した炭水化物オキシダ−ゼ
は実施例と同様、細胞不含精製酵素10mlから製
造される。 次の様な成分を含む反応混合物を100mlパイレ
ツクスフラスコ中に整える: (a) 海藻パーオキシダ−ゼ被覆ガラスビーズ、1
g、 (b) 上記の如く製造した固定化炭水化物オキシダ
−ゼ、 (c) 臭化カリ800mgおよび (d) 0.01Mリン酸カリウム緩衝液(PH7.0)20ml。 このフラスコにプロピレンと酸素の両者を連続
的に吹き込む。この反応を2gmのグルコースで
開始する。20時間後反応液から試料を採取し、残
渣のグルコース、D−グルコーソン、およびプロ
ピレンブロモヒドリンに対して分析を行う。製造
したプロピレンブロモヒドリンは以下の様に分析
される: 反応混合物5μをヘウレツト・パツカード
(Hewlett−Packard)型式402ガスクロマトグラ
フに6−フイート×1/8インチのガラスカラムに
ポラパツク(Porapak)R(80/100メツシユ)を
つめたものへ注入する。流速はヘリウムガスに対
し30ml/分に調整し、カラム温度200℃にする。
プロピレンブロモヒドリンの保持時間は1−ブロ
モ−2−プロパノールは9分、2−ブロモ−1−
プロパノールは10分である。 生成物の同定はプロピレンブロモヒドリンの標
品と比較することにより確認する:1−ブロモ−
2−プロパノールはブラツシ・エンド・バウエル
社(Pfaltz and Bauer、Inc.)から購入された
もの。2−ブロモ−1−プロパノールは1−ブロ
モプロピオニルクロライドの水素化リチウムアル
ミニウム還元により合成される。反応生成物と標
品は同一保持時間と同一質量分析結果を示す:臭
素は等しい強度のMおよびM+2同位元素群の存
在により同定される:異性体の両者に対する分子
イオンはイソブタン試薬のガスで化学的にイオン
化させることにより確められる(M+;m/e138
+140);1−ブロモ−2−プロパノールに対する
主なフラグメンテーシヨンはCH2Brが失われた
と予測されるフラグメントで、一方2−ブロモ−
1−プロパノールでは主なフラグメンテーシヨン
はCH3CHBrの欠損と予測されるものである。 試料の分析結果により、グルコースからD−グ
ルコーソンへの変換は99%以上であり、プロピレ
ンブロモヒドリン製造は20gm/であると見積
られる。 実施例 この実施例は、実施例で示された概念を更に
詳しく説明することに役立つものである。この場
合は固定化グルコース−2−オキシダ−ゼを固定
化炭水化物オキシダ−ゼにおき替えている。 固定化海藻パーオキシダ−ゼ酵素は実施例と
同様に製造される。固定化グルコース−2−オキ
シダ−ゼは実施例におけると同様製造される。 反応混合物は実施例と同様に、固定化炭水化
物オキシダ−ゼの代りに固定化グルコース−2−
オキシダ−ゼにおき替えてつくられる。 20時間後、反応物から試料を採取して残余のグ
ルコース、D−グルコーソン、およびプロピレン
ブロモヒドリンに対する分析を行う。この結果は
グルコースのD−グルコーソンへの変換は99%以
上、プロピレンブロモヒドリン製造は19.5gm/
であることが示された。 実施例 本実施例はカラムの反応器中固定化炭水化物オ
キシダ−ゼを用いて長い反応時間をかけてグルコ
ースのD−グルコーソンへ高収量で変換すること
を説明する。 実施例と同様に製造した炭水化物オキシダ−
ゼ(細胞不含、精製酵素)(10ml)を以下の様に
水酸化燐灰石(リン酸水素カルシウム)に固定化
する: 細胞不含の精製酵素100mlに水酸化燐灰石20g
の1mM燐酸カリウム緩衝液(PH7.0)100ml溶液
を加える。混合物を30分撹拌し、それから傾瀉法
により固形物を液体から分離する。そして固形物
を先ず10mMの燐酸カリウム緩衝液(PH7.0)200
mlで、次いで蒸留水200mlで洗滌する。 それからこの物質をガラスカラム(0.5cm×4.5
cm)につめる。1%グルコース溶液をこのカラム
に1時間1.5mlの流速で流す。溶出液を残余のグ
ルコースおよび生成したD−グルコーソンの検出
のため定期的に分析する。 5日間連続的に流した溶出液では、グルコース
のD−グルコーソンへの変換が95%以上であつた
ことを示した。過酸化水素は検出されなかつた。
本研究は酵素の真の半減期を定量する前に終了し
てしまつた。この実験のように緩慢な流出速度に
おいては、酸素の利用と過酸化水素を蓄積させな
い点の両者がグルコースのD−グルコーソンへの
実質的に完全な変換へ導くきめ手となる。この場
合は坦体の母体である、水酸化燐灰石が過酸化水
素を分解させた。 参考文献 1 Specialized Sugars for the Food
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[Table] Following the entire course of the reaction, the substantial conversion of glucose to D-glucosone was Rf0.58 (glucose)
The spot disappears and is also indicated by the appearance of the Rf0.43-0.49 (D-glucosone) streak,
Using an in vitro colorimetric assay of TTC, this is indicated by an increase in absorbance at 480 nm over the course of the reaction. That the product is indeed D-glucosone is confirmed by fragmentation followed by mass spectrometry as described above. 512 squares (molecular ion) and 223 squares (OC−CH=
A characteristic D-glucosone mass ion in the N-NO/ 2 ion fragment) is obtained for this product. EXAMPLE This example demonstrates the use of glucose-2-oxidase to perform essentially complete enzymatic conversion of glucose to D-glucosone. The reaction and conditions of the example (using agarose as immobilization carrier) are repeated using glucose-2-oxidase instead of carbohydrate oxidase. Five hours after starting the reaction, more than 99% of the glucose was converted to D-glucosone. To produce the glucose-2-oxidase enzyme, mycelial cultures of Asbergillus oryzae ATTC #7252 are carried out in bovine, yeast extract/tryptone medium as follows: bovine extract (5 g), yeast extract (5 g), Tryptone (3g), Dextrose (1g) and Difco Starch (24g)
into distilled water (1) and adjust the pH to 7.3.
Sterilize the medium at 121 °C for 35 min. Using spores obtained by a conventional method, a medium is inoculated at an amount of about 3×10 4 spores/ml, and grown at 30° C. for 2 days on a rotary shaker (180 rpm). The culture is aspirated through #541 Watzmann paper using a Buchner Toto and washed several times with water. This enzyme is contained in the mycelium that remains on the paper. Purification and immobilization of this enzyme can proceed using the procedures in the Examples. EXAMPLES In the examples, the level of free hydrogen peroxide produced by the reaction of carbohydrate oxidase and glucose in connection with D-glucosone production was minimized by decomposing the hydrogen peroxide with catalase. Another way to minimize the level of free hydrogen peroxide is to couple this production process to a hydrogen peroxide utilization reaction that produces suitable (useful) by-products. In this example, the production of hydrogen peroxide is coupled to the production of propylene-bromohydrin, which is an intermediate in propylene oxide synthesis according to the theory detailed in the authors' US Patent Application No. 39337 and US Pat. No. 4,247,641. The reaction of treating glucose with immobilized carbohydrate oxidase of Polyporus obtusus ATCC #26733 to produce D-glucosone and hydrogen peroxide was obtained from Coralina sp. in the presence of bromide and propylene. By combining the reaction with immobilized seaweed peroxidase, propylene bromohydrin is produced. The end result of this coupling reaction is then the co-production of glucosone for the production of fructose and propylene bromohydrin, which is easily converted to propylene oxide as described in patent applications No. 39337 and No. 42219. Any enzyme capable of oxidizing the carbon 2 hydroxyl group of glucose in conjunction with the production of hydrogen peroxide can be used for the production of alkene-halohydrins according to the teachings of the authors' earlier references, pending patents. The complex and the peroxidase for halogenation can be combined. Cell-free purified seaweed peroxidase enzyme is produced as follows. Coralina sp., obtained along the La jolla coast of California, is placed in a Virtis 45 homogenizer and ground for 5 minutes in distilled water. Centrifuge the homogenate at 20,000 rpm for 20 minutes. Transfer the supernatant by decanting and save. Resuspend the residual mass in distilled water and centrifuge again. Combine this supernatant with the previous supernatant. This solution is first brought to 33% and then 55% saturation by adding ammonium sulfate.
Centrifugation and clump separation operations are performed at each step. this
The 33% to 55% mass fraction is applied to a DEAE column and gradient elution is performed using 0.3M to 1M phosphate buffer (PH6.0). The fraction eluted at 1M concentration is dialyzed overnight against 20mM phosphate buffer (PH6). Immobilized seaweed peroxidase is prepared as follows: Glass beads (obtained from Sigma Chemical Company, PG-
700−200) in 18 ml of deionized water with 1 g of glass beads.
Activate by suspending. Add 2 ml of 10% (vol/vol) α-aminopropyltriethoxysilane and adjust the PH of the mixture to 3-5 with 6N HCl. Shake the mixture at 75°C for 2 hours. Vacuum dry the glass beads at 80°C overnight. 3.2 ml of purified Coralina sp. enzyme prepared as above.
and 50 mg of water-soluble carbodiimide to the glass beads. Adjust the pH to 4.5 and shake the mixture overnight at 4°C. This product (enzyme coated beads) is washed with water. Its activity is measured as 2 monochlorodimedone units/g of weight of beads. Carbohydrate oxidase immobilized on agarose is prepared from 10 ml of cell-free purified enzyme as in the example. A reaction mixture containing the following components is set up in a 100 ml Pyrex flask: (a) seaweed peroxidase-coated glass beads, 1
g, (b) immobilized carbohydrate oxidase prepared as above, (c) 800 mg of potassium bromide and (d) 20 ml of 0.01M potassium phosphate buffer (PH7.0). The flask is continuously blown with both propylene and oxygen. The reaction is started with 2 gm glucose. After 20 hours, a sample is taken from the reaction solution and analyzed for residual glucose, D-glucosone, and propylene bromohydrin. The produced propylene bromohydrin is analyzed as follows: 5μ of the reaction mixture is placed on a Hewlett-Packard model 402 gas chromatograph with a 6-foot x 1/8 inch glass column and a Porapak R ( 80/100 mesh) into the packed container. The flow rate was adjusted to 30 ml/min for helium gas, and the column temperature was 200°C.
The retention time for propylene bromohydrin was 9 minutes for 1-bromo-2-propanol, and 9 minutes for 2-bromo-1-propanol.
Propanol is 10 minutes. The identity of the product is confirmed by comparison with a standard of propylene bromohydrin: 1-bromo-
2-Propanol was purchased from Pfaltz and Bauer, Inc. 2-Bromo-1-propanol is synthesized by reduction of 1-bromopropionyl chloride with lithium aluminum hydride. The reaction product and the standard have identical retention times and identical mass spectrometry results: Bromine is identified by the presence of M and M+2 isotopic groups of equal intensity: the molecular ion for both isomers is chemically isolated with isobutane reagent gas. confirmed by ionization (M + ; m/e138
+140); the main fragmentation for 1-bromo-2-propanol is the predicted fragment in which CH 2 Br is lost, while for 2-bromo-2-propanol
For 1-propanol, the main fragmentation is expected to be the loss of CH 3 CHBr. Analysis of the sample indicates that the conversion of glucose to D-glucosone is greater than 99% and the propylene bromohydrin production is estimated to be 20 gm/. EXAMPLE This example serves to further explain the concepts presented in the example. In this case, immobilized glucose-2-oxidase is replaced with immobilized carbohydrate oxidase. Immobilized seaweed peroxidase enzyme is produced in the same manner as in the Examples. Immobilized glucose-2-oxidase is produced in the same manner as in the examples. The reaction mixture was the same as in the example, but instead of immobilized carbohydrate oxidase, immobilized glucose-2-
Produced by replacing oxidase. After 20 hours, samples are taken from the reaction and analyzed for residual glucose, D-glucosone, and propylene bromohydrin. The results show that the conversion of glucose to D-glucosone is over 99%, and the production of propylene bromohydrin is 19.5 gm/
It was shown that EXAMPLE This example illustrates the conversion of glucose to D-glucosone in high yields over long reaction times using immobilized carbohydrate oxidase in a column reactor. Carbohydrate oxidizer produced in the same manner as in the example
(cell-free, purified enzyme) (10 ml) is immobilized on hydroxyapatite (calcium hydrogen phosphate) as follows: 100 ml of cell-free purified enzyme and 20 g of hydroxide apatite.
Add 100 ml of 1 mM potassium phosphate buffer (PH7.0) solution. The mixture is stirred for 30 minutes and then the solids are separated from the liquid by decanting. Then, the solid matter was first dissolved in 10mM potassium phosphate buffer (PH7.0) at 200%
ml and then with 200 ml of distilled water. This material was then added to a glass column (0.5 cm x 4.5
cm). A 1% glucose solution is passed through this column at a flow rate of 1.5 ml for 1 hour. The eluate is analyzed periodically for detection of residual glucose and D-glucosone produced. The eluate that was continuously run for 5 days showed that the conversion of glucose to D-glucosone was 95% or more. No hydrogen peroxide was detected.
The study ended before the true half-life of the enzyme could be determined. At slow efflux rates, such as those in this experiment, both the availability of oxygen and the lack of accumulation of hydrogen peroxide are key to substantially complete conversion of glucose to D-glucosone. In this case, the hydroxide apatite, which is the base material of the carrier, decomposed hydrogen peroxide. Reference 1 Specialized Sugars for the Food
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Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 グルコースの水溶液をつくり、該溶液状態の
グルコースを、酵素による酸化によつて、副生成
物の過酸化水素を除去しつつ溶液状態のD−グル
コーソンに実質的に完全に転化することからなる
D−グルコーソンの製造方法。 2 酵素がグルコース−2−オキシダーゼ活性を
有するオキシドレダクターゼである特許請求の範
囲第1項記載の方法。 3 酵素がアスペルギルス・オリザエ
(Aspergillus oryzae)からのグルコース−2−
オキシダーゼおよびポリポラス・オブツスス
(Polyporus obtusus)からのピラノース−2−
オキシダーゼからなる群から選択される特許請求
の範囲第2項記載の方法。 4 酵素が固定化されている特許請求の範囲第3
項記載の方法。 5 過酸化水素がカタラーゼによる酵素的分解に
よつて除去される特許請求の範囲第1項記載の方
法。 6 グルコースの水溶液をつくり、該溶液状態の
グルコースをグルコース−2−オキシダ−ゼ活性
を有する固定化オキシドレダクターゼ酵素を使用
することによつて、副生成物の過酸化水素を除去
しつつ、実質的に完全に溶液状態のD−グルコー
ソンに転化し、D−グルコーソンを実質的に純粋
な形で回収することからなるD−グルコーソンの
製造方法。 7 カラムリアクター中で行なわれる特許請求の
範囲第6項記載の方法。
[Scope of Claims] 1. An aqueous solution of glucose is prepared, and the glucose in the solution state is substantially completely converted into D-glucosone in the solution state while removing hydrogen peroxide as a by-product. A method for producing D-glucosone comprising converting it. 2. The method according to claim 1, wherein the enzyme is an oxidoreductase having glucose-2-oxidase activity. 3 The enzyme is glucose-2- from Aspergillus oryzae.
Oxidase and pyranose-2- from Polyporus obtusus
3. The method of claim 2, wherein the oxidase is selected from the group consisting of oxidases. 4 Claim 3 in which the enzyme is immobilized
The method described in section. 5. The method according to claim 1, wherein hydrogen peroxide is removed by enzymatic decomposition with catalase. 6. By preparing an aqueous solution of glucose and using an immobilized oxidoreductase enzyme having glucose-2-oxidase activity, the glucose in the solution state is substantially oxidized while removing the by-product hydrogen peroxide. 1. A process for producing D-glucosone, which comprises completely converting D-glucosone into solution-state D-glucosone and recovering D-glucosone in substantially pure form. 7. The method according to claim 6, which is carried out in a column reactor.
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